分析研究电动汽车高压互锁

分析研究电动汽车高压互锁相对于传统汽车而言，电动汽车的一个重要特点就是车内装有能保证足够动力性能的高压系统，包括了充电系统、配电箱、储能系统（动力电池）、动力系统（即驱动电机）等高压部件，如图1所示。由此而存在的高压电伤害隐患完全有别于传统汽车，其高达300V以上的电压以及可能达到数十、甚至数百安培的电流随时考验着车载高压用电器的使用安全。因此，随着电动汽车行业的不断向前发展，对电动汽车电安全的研究刻不容缓。电动汽车高压电安全措施有以下几点。1）在用户正常操作时，通过绝缘防护、等电势（搭铁电阻）、外壳IP防护、泄漏电流等措施提供电气防护。2）环境条件和可能发生的意外事件都可能使得这种保护的强度降低。因此，高压系统配置了绝缘监测功能，一般采用漏电传感器对高压系统进行绝缘监控。3）在车辆维修保养时，采用紧急维修开关进行安全防护。4）在异常使用时（例如碰撞、非正常操作断开高压连接器等），采用高压互锁、高压泄放（主动放电、被动放电）保障使用安全。5）在电路设计时，应能满足电气间隙、爬电距离等要求，并具备各类过压、过流、短路防护功能。以上为电动汽车高压电安全设计的保护措施，本文主要对高压互锁进行介绍。1高压互锁的定义在ISO国际标准《ISO6469-3:2001电动汽车安全技术规范第3部分：人员电气伤害防护》中，规定车上的高压部件应具有高压互锁装置，但并没有详细地定义高压互锁系统。高压互锁，也指危险电压互锁回路（HVILHazardousVoltageInterlockLoop）：通过使用电气小信号，来检查整个高压产品、导线、连接器及护盖的电气完整性（连续性），识别回路异常断开时，及时断开高压电。高压互锁回路如图2所示。当整车发生碰撞时，碰撞传感器发出碰撞信号，触发HVIL断电信号，整车高压源会在毫秒级时间内自动断开，以保障用户的安全，如图3所示。2高压互锁的组成2.1互锁信号回路高压互锁信号回路包括两部分，如图2中黑线和虚线所示。1）黑线部分用于监测高压供电回路的完整性，可以分为两种形式：一种是与高压电源线并联，并在所有高压连接器端与连接器监测器连接，将所有的连接串接起来组成一个完整的回路（图4），可以利用高压线上的屏蔽线组成信号回路的一部分，以使整个系统变得更简单和可靠；另外一种形式为各个高压部件控制器负责监测各自的HVIL信号，只有当全部的控制器收到HVIL接通信号时，才允许接通高压源，如图5所示。2）虚线部分用来监测所有高压部件保护盖是否非法开启，利用信号线将所有高压器件上的监测器全部串联起来，组成另外一条监测信号回路。2.2互锁监测器监测器分为两类，一种用于监测高压连接器连接是否完好，另外一种用于监测高压部件的保护盖是否开启。1）高压连接器监测器如图6所示，图6a为将监测器设置在连接器上的一体式的设计，图6b为通用的最新专利设计。通用监测器的设计是利用压接方法在连接器自锁结构上增加电气连接作为自锁回路短接信号，这种设计既保证了连接器防水等级又能不增加冗余的空间，非常巧妙。图7中白色方框区为某车型动力电池动力母线互锁监测器，在动力母线拔出时，其也会随之断开，HVIL高压互锁回路就会触发高压断电信号，保障用户的操作安全。2）高压部件开盖监测器如图8所示，结构类似于连接器，一端安装于高压部件保护盖上，另外一端安装于高压部件主体内部，当保护盖开启时连接器也断开，HVIL信号中断。通常需要设置监测器的部件包括：①驱动电机控制器；（2）DC-DC变换器；③高压配电箱；④车载充电器；⑤空调驱动器；⑥电池管理器。2.3自动断路器自动断路器（也称正极、负极接触器）为互锁系统切断高压源的执行部件，形式类似于继电器，如图9所示。在高压互锁系统识别到危险情况时，能否正确断开高压源是非常关键的，所以自动断路器对高压互锁的作用影响相当大，其如何设置需参照以下原则。1）自动断路器需要尽可能地接近电池包（高压源），以减少在断电时候继续蓄能的电路。2）自动断路器的初始状态应该是常开的状态，需要控制器给予安全信号方能闭合，以避免高压线路误接通。3）复位自动断路器应要求操作者施加额外的信号，需其确认当有贫为已消除高压危险的情况方能复位。4）自动断路器应具有自诊断的能力，将其内部的故障检测出来并予以显示，如果不能正常工作，则整车需要特殊处理（停车或报警）。5）自动断路器即使是在出现供电电压过低的情况下也应能操作。6）自动断路器需要提供一个输出信号，提前通知其他用电负载，使之能在断电之前有提前响应的时间。7）行驶过程中等特殊情况不能强行断开。图10为DC-DC供电原理图，其中自动断路器建议设计在最靠近动力电池包处，由此可以减少断电时蓄能的电路，而且使用的是双极同时断开，可以使高压互锁起作用时高压源彻底和各高压部件隔离，能够很好地保护使用者。断路器也可以设置在电池包的正中央位置，通过切断高压源内部的连接，起到整车彻底断电的目的。3控制策略高压互锁系统在识别到危险时，整个控制器应根据危险时的行车状态及故障危险程度运用合理的安全策略，这些策略包括以下几点。1）故障报警。无论电动汽车在何种状态，高压互锁系统在识别到危险时，车辆应该对危险情况做出报警提示，需要仪表或指示器以声或光报警的形式提醒驾驶员，让驾驶员注意车辆的异常情况，以便及时处理，避免发生安全事故。2）切断高压源。当电动汽车在停止状态时，高压互锁系统在识别严重危险情况时，除了进行故障报警，还应通知系统控制器断开自动断路器，使高压源被彻底切断，避免可能发生的高压危险，确保财产和人身安全。3）降功率运行。电动汽车在高速行车过程中，高压互锁系统在识别到危险情况时，不能马上切断高压源，应首先通过报警提示驾驶员，然后让控制系统降低电机的运行功率，使车辆速度降下来，以使整车高压系统在负荷较小的情况下运行，尽量降低发生高压危险的可能性，同时也允许驾驶员能够将车辆停到安全地方。